Caractérisation électrique des structures SiSiC formées par implantations d'ions carbone sur du silicium monocristalline de type n

Thin Solid Films, 97(1982) 107 117

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ELECTRONICS AND OPTICS

C A R A C T I ~ R I S A T I O N I ~ L E C T R I Q U E DES S T R U C T U R E S Si-SiC FORMI~ES P A R I M P L A N T A T I O N S D ' I O N S C A R B O N E S U R D U SILICIUM MONOCRISTALLIN DE TYPE n A. MOUHOUB*~ J. A. ROGER~ P. D U R U P T ET J. PIVOT

Dkpartement de Physique des Matkriaux, Universitk Claude Bernard, Lyon I (France) (Re9u le 8 septembre 1981 ; accept6 le 9 octobre 1981)

Dans cet article est abord6e la caract6risation 61ectrique de plaquettes de silicium monocristallin de type n implant6es en ions carbone ~tfaible 6nergie. L'influence de l'orientation et des param&res d'implantation sur la formation de la couche de carbure de silicium (SIC) enterr6e a 6t6 discut6e. Par ailleurs, les r6ponses photovolta'iques h une excitation monochromatique des h6t6rostructures obtenues ont 6t6 examin6es. Ces h6t6rostructures ont permis d'effectuer une approche du sch6ma de bande des structures 61abor6es.

Summary In this paper are reported some results on the electrical characterization of monocristalline silicon (n type) implanted with low energy carbon ions. The influences of the orientation of the wafer and of the implantation parameters on the formation of buried silicon carbide layers are discussed. The photovoltaic responses of the heterostructures obtained to monochromatic excitation were examined. This allowed a band model for the prepared structures to be proposed.

1. INTRODUCTION Depuis quelques ann6es, l'int6r6t s'est port6 sur la recherche de nouveaux mat6riaux poss6dant des propri6t6s particuli6res telles que la tenue en temp6rature et une large bande interdite. En effet, jusqu'fi pr6sent la plus grande pattie des composants sont congus partir du silicium monocristallin. Ce mat6riau dont les propri6t6s sont assez bien connues a de s6rieuses limitations, plus particuli6rement en temp6rature et dans les milieux fi atmosph6re corrosive. I1 est sensible aux rayonnements ionisants et ne peut donc ~tre utilis6 dans tousles environnements. D'autre part les dispositifs 61ectroniques actuels sont limit6s en puissance et en fr6quence, d'ofl la n6cessit6 de penser ~i des mat~riaux ~ propri6t6s particuli~res. * Adresse actuelle: Laboratoire Cristaux et Couches Minces, Centre des Sciences et de la Technologie Nucl6aires, BP. 1017Alger-Gare,Alg6rie. 0040-6090/82/0000-0000/$02.75

© ElsevierSequoia/Printed ~nThe Netherlands

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A. MOUHOUBet al.

Toutes ces considdrations ont amend les chercheurs /t envisager l'dtude d'autres matdriaux fi large bande interdite et n ' a y a n t pas les limitations des matdriaux classiques. U n des nouveaux matdriaux est le carbure de silicium (SIC). I1 a 6t6 synth&isd par implantation d'ions carbone dans les plaquettes de silicium m o n o cristallin 1.2. La couche synthdtisde est enfouie entre une couche perturbde en surface et le volume. Le SiC est obtenu aprds un recuit fi des tempdratures supdrieures fi 700 °C 1 3 Le SiC est stable thermiquement. I1 possdde une forte conductivit6 thermique, un faible coefficient de dilatation thermique et il est inerte chimiquement. Sa rdsistance fi l'abrasion et aux radiations ionisants fait du SiC synthdtisd en couche mince un excellent candidat pour la fabrication de c o m p o s a n t s destinds ~i dtre utilisds dans les milieux fi tempdrature dlevde et fi atmosphere corrosive. Cet article tente d'dtudier l'influence des param&res du substrat sur les couches de SiC obtenues par implantation d'ions carbone ~tforte dose (de l'ordre de 1017 ions cm

2).

2. EXPI~RIMENTATION

N o u s avons utilisd des plaquettes de silicium monocristallin de type n, uniformdment dopdes au phosphore, d'orientation (100) et (111) et de rdsistivitd 6 f~ cm, 100-200 f~ cm et 1000 f~ cm. Ces plaquettes de diamdtre 33 m m et d'dpaisseur 270 gm ont une face polie et une face rodde. La rdsistivitd a dtd vdrifide par la mdthode des quatres pointes aligndes. Les implantations d'ions carbone ont dtd effectudes/t tempdrature ambiante, au m o y e n d ' u n sdparateur d'isotope G a m m a Industrie, sur la face polie de l'6chantillon. La surface implantde est ddlimitde par une fendtre de dimensions 15 m m x 20 mm. Les profils d'implantation ont 6t6 estimds/t partir de la thdorie de Lindhard, Sharfet SchiCtt (LSS) tabulde par Dearnaley 4. D a n s ce calcul, nous n'avons pas tenu compte de la pulvdrisation de surface. Les doses et les dnergies d'implantation sont donndes par le Tableau I. P o u r 6viter la pollution de la couche les recuits ont dtd effectuds sous vide

TABLEAU 1 DOSES ET I~NERGIESD'IMPLANTATION ParamOtre

p (f~cm) Orientation Dose (ions cm 2) Energie (keV) Rp (~) ARp (/~) [C]/[Si] moyen dans 2 ARp

Echantillon (type) 1117

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40 1528 530 0,57

Si/SiC

CARACTI~RISATION I~LECTRIQUE DES STRUCTURES

109

pouss6 de l'ordre de 10- 7 Torr. La temp6rature de recuit est maintenue constante 970 °C pendant 30 min. Cette derni6re a 6t6 mesur6e fi l'aide d'un pyrom6tre optique. 3. CARACTERISATION-- MESURES

3.1. Mesure physique : spectre d'absorption lR Les 6tudes ont 6t6 conduites avec un spectrophotom6tre IR Perkin-Elmer ~t double faisceau. L'6chantillon t6moin, non implant6, appartenait au m~me lot. Apr6s recuit, quelle que soit la dose ou l'6nergie d'implantation, on observe un pic d'absorption maximum situ6 ~i 970cm -l. Cependant les param&res jouent 16g6rement sur la largeur Av h mi-hauteur qui semble varier de 70 ~i 130 c m - 1. Cette 6tude sur des substrats de diff6rentes orientations montre l'influence de cette orientation sur la synth6se du SiC qui se manifeste sur la hauteur d u p i c et sur sa largeur ~ mi-hauteur (cf courbes 6chantillons II 024 et II 124 donn6es par les Figs. 1 et 2). Dans le cas de notre exp6rimentation, l'orientation (111) semble fitre la plus favorable pour la synth6se du SiC. Les r6sultats trouv6s sont en accord avec ceux obtenus pour le mat6riau de type pet il semble qu'il n'y ait pas d'influence du dopage sur le comportement IR. Dans le cas des 6chantillons du type III 7 la stoechiom6trie sous le pic est plus faible, ce qui correspond ~, un pic IR moins prononc6 (Fig. 3). 3.2. Mesures klectriques 3.2.1. Caractkristiques courant-tension Pour les structures 61abor6es les caract6ristiques courant-tension pr6sentent un effet redresseur assez net dans le cas des plaquettes de faible r6sistivit6 (Fig. 4) avec toutefois des effets de r6sistance s6rie tr6s marqu6s. L'effet redresseur semble d'autant meilleur que le travail de sortie du m6tal d'61ectrode est plus faible dans le cas de la Fig. 4 (6chantillons du type III 15, plaquettes de faible r6sistivit6), alors que c'est l'inverse pour les plaquettes de forte r6sistivit6 off la stoechiom6trie sous le pic 1000 1oo

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A. MOUHOUBet al.

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Fig. 2. Spectre d'absorption IR des ~chantillons du type II 124 (tres forte r~sistivit~): courbe 1, avec r6f6rence; courbe 2, sans r6f6rence.

est sensiblement la m6me (Fig. 4, 6chantillon II 024). Ceci montre bien rint6raction 6troite existant entre les ph6nom6nes d'interface et de volume, l'un ou l'autre pouvant l'emporter. L'influence de la nature du m6tal d'6lectrode sur la caract6ristique redresseuse de la structure est donn6e par la Fig. 4. Nous avons observ6 sur tousles 6chantillons, fi l'exception de ceux de forte r6sistivit6 (6chantillon II 124, par exemple), un courant qui augmente quand le travail de sortie ¢bm du m6tal utilis6 pour l'61ectrode sup6rieure augmente. La comparaison des caract6ristiques courant-tension exp6rimentales et simul6es donne des valeurs du facteur de qualit6 A sup6rieure ~t l'unit& Ces courants sont donc probablement domin6s par des effets de recombinaison. Pour d6finir le sch6ma de bande possible dans le cas du substrat de type n, il est n6cessaire d'examiner la r6ponse photovolta'ique ~t des excitations monochromatiques.

3.2.2. R@onse photovolta~'que Nous avons trac6 la caract6ristique Voc' = f(hv) dans le domaine d'6nergie allant de 0,8 fi 3,5 eV, Vow'6tant la phototension g6n6r6e par la structure 6clair6e sous rayonnement monochromatique. Les r6ponses enregistr6es, pour chaque gamme de r6sistivit6, sont donn6es par les Figs. 5-8. On observe un comportement qui diff~re suivant la r6sistivit6 et la valeur de la stoechiom6trie dans la zone implant6e. En effet, si nous examinons r6chantillon II 124 qui poss6de la r6sistivit6 la plus forte, nous notons la pr6sence d'un seul pic situ6 entre 1,05 et 2 eV environ (Fig. 5). Les signaux 61ectriques mesur6s sont tels que r61ectrode sup6rieure est positive et l'61ectrode de base n6gative. La r6ponse obtenue est ind6pendante de la nature du m6tal constituant l'61ectrode (Fig. 5). Nous sommes dans un cas off la concentration dans la zone implant6e est assez forte ([-C]/[Si] = 0,57). L'6chantillon III 7 correspond par contre ~i une faible concentration ([C]/[Si] = 0,22) dans la zone de 2 ARp. L a courbe de r6ponse photovolta'ique pr6sente deux pics. Le seuil du premier pic se situe ft 1,05 eV et correspond ~i une polarit6 n6gative de r61ectrode sup6rieure. Le deuxi6me pic est tel que l'61ectrode sup6rieure est positive comme dans le cas de r6chantillon pr6c6dent (Fig. 6).

CARACTI~RISATION I~LECTRIQUE DES STRUCTURES Si/SiC

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Fig. 3. Spectred'absorptionlRdes6chantillonsdefaibler6sistivit6dutype(a)IIl 15et(b)III7:courbes 1, avec r6f6rence; courbes 2, sans r~f6rence.

Pour l'6chantillon III 15 (Fig. 7) on enregistre trois pics avec, comme sur les 6chantillons pr6c6demment 6tudi6s, un pic principal tel que l'61ectrode sup6rieure est positive. Le pic du c6t6 des faibles Energies est tel que l'Electrode supErieure est Egalement positive. Le pic intermEdiaire, quant h lui, est de signe inverse au prEcEdent (Electrode supErieure negative). Les limites entre les pics positifs ne sont pas representatives de valeurs physiques car elles peuvent se dEplacer en fonction de l'importance relative de ces pics. Un tel comportement a EtE observe par Donnelly et Milnes 5 dans le cas d'hEt6rojonctions n-Ge/n-Si. Dans ce cas precis la presence du premier pic a EtE attribuEe au matEriau ~i faible bande interdite; le second pic (intermEdiaire) correspondrait ~ un pompage optique d'un niveau donneur ~t un niveau accepteur situE dans la bande interdite du matEriau perturb& Quant au troisi6me pic il semblerait que l'absorption correspondante se fasse dans le matEriau large bande interdite. Dans notre cas, il est possible d'effectuer une analyse

A. MOUHOUB et al.

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Fig. 4. Evolution du courant direct I d et inverse lr de fonction du travail de sortie du m+tal d'~lectrode p o u r trois gammes de r6sistivit6 (C), aluminium; A, argent; 0, or): (a) Ill 15 (. . . . ) et llI 7 ( - - ) ; (b) II 024; (c) II 124.

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Fig. 5. Spectre de p h o t o r b p o n s e des 6chantillons du type II 124 (p > 100 f~cm; orientation, (111); , o r ; . . . , argent; . . . . , aluminium.

E=40keV;dose, 4,4xlO17ionscm-Z;T=970°C;t=30min):

CARACTI~RISAT1ON I~LECTRIQUE DES STRUCTURES S i / S i C

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Fig. 6. Spectre de p h o t o r r p o n s e des 6chantillons d u type III 15 (p = 6 f ~ c m ; orientation, (111); E = 10 keV; dose, 5 x 1016 ions c m - 2 ; T = 970 °C; t = 30 rain): - - , or;..., argent; - --, aluminium.

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Fig. 7. Spectre de p h o t o r ~ p o n s e des 6chantillons d u type III 15 (p = 6 ~ cm; orientation, (111); E = 20 keV; dose, 2,2 x 1017 ions c m - 2; T = 970 °C; t = 30 min): , o r ; . - . , a r g e n t ; - - -, a l u m i n i u m .

114 I

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Fig. 8. Spectre de photor6ponse des 6chantillons du type II 024 (p > 100 ~cm; orientation, (100); E=40keV;dose, 4,4×10~Tionscm Z;T=970,C;t=30min): ,or;-.-,argent;- -,aluminium, similaire des Figs. 5 et 8. Le sch6ma de bande correspondant fi ces diff6rentes r6ponses sera discute plus loin. C o m m e nous l'avons d6jfi signal6 l'amplitude de la phototension a, dans tous les cas, 6t6 toujours plus importante dans le d o m a i n e d'absorption du mat6riau de base que dans celui du mat6riau perturb6. Ceci peut s'expliquer d'une part par la faible 6paisseur du mat6riau perturb6 en surface et par la transparence du mat6riau synth6tis6 d'autre part. Les inversions de signes observ6es sont caract6ristiques de l'opposition des courbures de bandes de part et d'autre de I'interface zone implant6e substrat. De telles inversions sont typiques des het6rojonctions <', et si l'on applique le mod61e de la double diode Schottky il peut 6tre montr6 que le mat6riau large bande interdite a une forte tendance ~ dominer la photor6ponse fi condition de pr6senter une 6paisseur suffisante. Darts cette 6tude la zone de SiC, lorsqu'elle existe, est tr6s mince et nous avons conclu que dans les trois cas cit6s ci-dessus le fort pic _~/ f

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Fig. 9. Sch6ma de bande des structures obtenues sur les 6chantillons du type II 124.

CARACTERISATION I~LECTRIQUE DES STRUCTURES

Si/SiC

115

enregistr6 dans le domaine des 6nergies les plus fortes doit 8tre attribu6 au substrat de silicium. En effet, l'amplitude des pics enregistr6s est li6e non seulement ~t la collecte des paires 61ectron-trou due ~ la courbure des bandes (entra~nement des charges cr66es) mais aussi fi la plus ou moins grande p6n6tration du rayonnement monochromatique dans la structure qui fait que la cr6ation de ces paires 61ectrontrou se fait plus ou moins pr6s de la surface. Le probl6me est donc tr6s complexe et on ne pourra tirer que les grandes lignes des exp6rimentations pr6c6dentes puisque les propri&6s optiques du mat6riau synth6tis6 ne sont pas connues. 4. TENTATIVE D'I~LABORATION D'UN SCHI~MA DE BANDE Dans ce qui suit nous tenterons h la lumi6re des r6sultats exp6rimentaux (spectres de photor6ponse) et des hypoth6ses faites ci-dessus d'attribuer un sch6ma de bandeaux structures 61abor6es. Les 6chantillons du type II 124 d6crit ci-dessus pr6sentent une couche de SiC semblant jouer le r61e de fen~tre. En effet, nous avons vu qu'il n'y avait qu'un seul pic de polarit6 n6gative dont le seuil d'absorption est 1,05 eV et que la phototension g6n6r6e ne pr6sentait pas de discontinuit6 de 1,05 ~ environ 2eV. Ceci laisse supposer que la phototension apparait, pour des 6nergies croissantes, dans une r6gion 16g6rement perturb6e. Le sch6ma de bande pourrait ~tre celui donn6 par la Fig. 9 dans lequel nous avons deux mat6riaux en pr6sence: un mat6riau composite 5. majorit6 SiC et le silicium du substrat. La couche perturb6e responsable de l'absorption ~i 1,05 eV sera situ6e soit ~i l'interface SiC-Si soit pr6s de l'61ectrode m6tallique mais serait tr6s fine dans les deux cas. Le spectre pr6sente une r6augmentation nette de la phototension pour des 6nergies sup6rieures ~ 2 eV ce qui semble confirmer l'hypoth6se de la pr6sence d'une couche 6paisse de SiC (Fig. 5). Par contre dans le cas des 6chantillons du type III 7 nous sommes en pr6sence de deux pics dont les deux polarit6s laissent supposer que deux zones distinctes existent probablement s6par6es par une couche interfaciale correspondant ~ la couche d'arr~t des atomes de carbone. Cette couche compos6e d'un m61ange Si-SiC serait alors enterr6e entre une zone de silicium perturb6 et le silicium du substrat. Cette r6gion interfaciale est le si6ge de nombreux d6fauts et sites 61ectroniques. La pr6sence de ces niveaux associ6s aux liaisons non satisfaites et aux d6saccords des param~tres cristallins conduit ~ une double r6gion d6pl&6e comme indiqu6 par la Fig. 10. Le premier pic dont la r6ponse est ~ 1,05 eV correspondrait ~ une phototension g6n6r6e dans la zone implant6e, les 61ectrons 6tant drain6s vers l'61ectrode m6tallique. D~s

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Fig. 10. Sch6ma de bande des structures obtenues sur les 6chantillons du type III 7.

1 16

A. MOUHOUBet al.

que l'6nergie d6passe 1,12 eV, l'absorption se fait essentiellement dans le substrat. Le premier effet est alors compl6tement noy6 dans le deuxi6me pic. Dans le cas des 6chantillons tel que III 15, trois pics distincts sont enregistr6s sur le spectre de photor6ponse. [ls ont 6t6 d6crits pr6c6demment. Le troisi6me pic est attribu6 fi des niveaux 61ectroniques associ6s aux d6fauts. Le sch6ma de bande serait identique fi celui donn6 par la Fig. 11, off interviendrait un pompage optique au niveau des 6tats d'interface ou bien 5_ partir des pi6ges dans la zone implant6e. En effet, dans ce cas particulier, les processus suivants peuvent contribuer 5_ la phototension g6n6r6e aux bornes de la structure (Fig. 1 1). (1) Photo6mission de la couche interfaciale, des 6tats d'interface dans le mat6riau implant6 (al) et de la bande de valence du matdriau composant la zone c6t6 61ectrode dans la bande de conduction du substrat (a3), peut contribuer. Les processus d'excitation a5 et a6 (Fig. 11) correspondent respectivement 5_ l'6mission des niveaux d'interface vers le substrat (as) et de la bande de valence du substrat dans la bande de conduction de la zone de surface (a6). (2) Processus d'excitation interne, i.e. la g6n6ration des paires 61ectron-trou dans les deux r6gions de part et d'autre de la zone interfaciale (a z et a4) , peut contribuer. Le spectre qui illustre un tel ph6nom6ne est donn6 par la Fig. 11 (6chantillon III 15). On voit encore ici que le substrat domine par l'amplitude de la photoreponse qui lui est associ6e, L'ordre et l'importance des processus d6crits ci-dessus dependent des valeurs relatives AE c et AE (ces grandeurs sont indiqudes sur la Fig. 11). Processus

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5.

CONCLUSION

I1 semble que les tentatives de synth6se de SiC par implantation et recuit au voisinage de 1000 ~C conduisent fi un mat6riau fi bande interdite sup6rieure 5_celle du silicium, probablement voisine de celle de SiC massif. Nous avons tent6, 5_l'aide de l'analyse des r6ponses photovoltai'ques dans le domaine des 6nergies allant de 0,8 fi 3 eV, d'6tablir le sch6ma de bande des structures obtenues. Suivant l'6nergie et la dose d'implantation nous avons vu qu'il 6tait possible d'obtenir (a) une couche plus ou moins enfouie s6parant la structure en deux r6gions (le silicium monocristallin du substrat et la zone de surface perturb6e par l'implantation) et (b) une couche de SiC en surface s~par6e du silicium du substrat par la zone perturb6e.

CARACTI~RISATION I~LECTRIQUE DES STRUCTURES S i / S i C

117

D e s m e s u r e s de c a p a c i t 6 en f o n c t i o n de la t e n s i o n et de la f r 6 q u e n c e p e r m e t t r a i e n t d ' o b t e n i r q u e l q u e s r e n s e i g n e m e n t s sur ces diff6rents processus. N o u s a v o n s tent6 des m e s u r e s de ce t y p e rnais leur tr6s forte sensibilit6 a u x effets de surface et d ' i n t e r f a c e , d o n e a u x f l u c t u a t i o n s o b t e n u e s lors de l ' i m p l a n t a t i o n , ne n o u s a pas p e r m i s d ' o b t e n i r des r6sultats e x p l o i t a b l e s et r e p r o d u c t i b l e s . REVERENCES 1 W. Rothmund et C, R. Fritzche, J. Electrochem. Soc., 121 (1974) 586. 2 I. P. Akimchenko, Kh. R. Kazdaev, I. A. Kamenskikh et K. V. Krasnopevtsev, Soy. Phys.-Semicond., 13 (1979) 219. 3 A. Mouhoub, J. A. Roger, P. Durupt et J. Pivot, Thin Solid Films, 88 (1982) 101. 4 G. Dearnaley, H. J. Freeman, R. S. Nelson et J. Stephen, Ion Implantation, North-Holland, Amsterdam, 1973. 5 J.P. Donnelly et A. G. Milnes, Solid-State Electron., 9 (1966) 174. 6 C. Van Opdorp, Proc. Int. Conf. on the Physics and Chemistry of Semiconductor Heterojunction and Layer Structures, 1971, Vol. II, Academiai Kiado, Budapest, 1971, p. 103.